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LSST

par Sophie Trincaz - 2 octobre

La compréhension de la nature de la matière et de l’énergie noires nécessite de mesurer les paramètres cosmologiques avec une précision de l’ordre du pourcent. Les moyens à mettre en œuvre pour atteindre cet objectif passent par l’échantillonnage de très grandes portions de l’Univers visible (de l’ordre de 100 Gpc3). À cette fin, il faut non seulement pouvoir observer à grande distance, mais avec un dispositif à très grand champ.

Le projet au sol, LSST, vise à l’observation répétée de l’ensemble du ciel visible (en 6 bandes), 1 000 fois par champ, en s’affranchissant ainsi d’une partie des effets instrumentaux et atmosphériques. Il est basé sur un télescope au sol de 8.4 mètres de diamètre équipé d’une caméra de 3.2 milliards de pixels de 10μ à lecture rapide (2s). L’ensemble, implanté au Chili, couvrira un champ de 9,6 degrés-carrés sur le ciel balayé à la cadence d’un champ toutes les 40 secondes à travers les filtres ugrizy. Chaque champ sera ainsi visité à peu près 1 000 fois dans le mode « survey » du programme pendant les 10 ans de la prise de données.

LSST (Large Synoptic Survey Telescope),
 un projet international implanté au Chili, commencera son exploitation scientifique en 2022. LSST comprend un télescope au sol de 8.4 mètres de diamètre et un imageur à lecture rapide (2 s) de 3.2 milliards de pixels. Son objectif scientifique principal, l’étude de l’énergie noire, est au cœur de la thématique du groupe de cosmologie du LPNHE. L’équipe contribue à la fois à l’instrumentation, au logiciel, et à la préparation scientifique du projet.

Le LPNHE participe depuis 2006 à la construction de la caméra de LSST en ayant des responsabilités dans les deux contributions principales de l’IN2P3, le plan focal d’une part et le système de changement de filtres d’autre part.

Dans le plan focal, le LPNHE contribue
à différents développements techniques. L’équipe a développé et testé l’ASIC appelé ASPIC (en collaboration avec le LAL) qui traite le signal en sortie des CCD. Elle a livré en février 2017 les derniers circuits nécessaires à la lecture des 3216 canaux vidéo de LSST. Le laboratoire est également responsable du micro-code du FPGA qui contrôle l’électronique du plan focal. Le groupe est aussi impliqué dans la caractérisation des capteurs CCD et l’optimisation de leur lecture : depuis 2015 le banc test CCD du LPNHE est pleinement opérationnel en salle blanche. L’équipe a ainsi pu mener des études des têtes de série de production des CCD, en contact direct avec les fournisseurs, pour valider leurs caractéristiques dans le cadre de LSST. Elle a aussi optimisé la séquence de lecture en utilisant les possibilités de diagnostic implémentées au LPNHE dans la chaîne de lecture devenue inaccessible dans son cryostat. Cet effort dépend crucialement des développements du micro-code du plan focal. Enfin, le groupe étudie les distorsions d’images causées par les CCD eux-même dont les futures analyses de cosmologies devront tenir compte.

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Le site de construction LSST (juin 2017)

Le LPNHE a aussi la responsabilité de la conception, construction et tests du carrousel, le sous-système qui maintient les filtres non-utilisés hors du champ de vue de la caméra. Ce carrousel doit présenter au changeur proprement dit le filtre à mettre
en place sur le plan focal. Le faible espace disponible, la taille et le poids des filtres manipulés (5 filtres de 70 cm et d’environ 40 kg chacun), la vitesse d’exécution d’un changement de filtre et la fiabilité qui est demandée au carrousel font de cette réalisation un tour de force. Un démonstrateur à l’échelle 1, est en cours de montage et de test depuis fin 2016. Il a été construit pour qualifier les solutions choisies. Il utilise, dans le grand hall du LPNHE, la monture développée par le LPC de Clermont-Ferrand qui permet de simuler les mouvements du télescope.

Concernant la préparation des analyses de cosmologie avec LSST, le groupe est actif sur plusieurs fronts associés à l’étude de l’Energie Noire. Ces travaux se développent au sein de la collaboration DESC (Dark Energy Science Collaboration), adossée à LSST. Ces travaux s’appuient sur les compétences acquises en imagerie grand champ. L’équipe participe aux efforts de calibration photométrique et astrométrique du relevé, car la qualité des contraintes cosmologiques que LSST atteindra dépend crucialement de la qualité des calibrations. Le groupe intervient dans ce domaine sur plusieurs points, allant de la co-coordination de cette activité dans la collaboration scientifique DESC-LSST au développement de techniques originales afin d’améliorer les méthodes en astrométrie (développement de code, utilisation des données du satellite Gaia), ou de repousser les limites en photométrie à travers le projet instrumental DICE qui vise à définir un réseau d’étoiles au flux calibré avec une précision de 0.1 %. Le groupe joue un rôle moteur dans l’étude et la prise en compte dans l’analyse de distorsions d’images induites par les CCD eux-mêmes. Certains de ces effets, vues les précisions requises dans LSST, ne peuvent être ignorés, au point qu’un groupe de travail dédié dans LSST-DESC, co-coordonné par un chercheur du LPNHE, a vu le jour. L’équipe du LPNHE a fourni l’explication physique d’un effet largement observé (dit Brighter-Fatter) qui redistribue les charges dans les CCD et déforme les objets les plus brillants. L’explication physique nous a permis de proposer une méthode de correction utilisée par les relevés en activité, en particulier DES et HSC.

Le groupe contribue à définir
une cadence optimale des
observations de LSST pour
mesurer un échantillon cosmologique de SNe-Ia. Depuis 2017, cet effort s’est étendu à la définition de moyens d’observation complémentaires à LSST nécessaires pour les SNe-Ia proches (redshift < 0.1). Ces SNe-Ia donneront un accès unique à l’univers proche, hors de portée des autres sondes (lentillage faible, BAO).

Finalement, des forces sont investies dans la préparation de l’analyse du lentillage faible dans LSST, nouvelle sonde pour contraindre l’Energie Noire et tester la relativité générale. L’exploitation des lentilles faibles avec une grande statistique nécessite d’améliorer significativement les méthodes utilisées aujourd’hui, en particulier pour la mesure des ellipticités. Cette activité de fond a débuté au sein du groupe en 2015, avec, dans un premier temps, une contribution à la collaboration Weighing the Giants (étude de la masse des amas). Aujourd’hui cette activité vise à se développer sur des données publiques du télescope Subaru, les plus semblables à celles que produira LSST.

Retrouvez ce texte dans le rapport d’activité 2015-2017 du LPNHE.

Vue en direct du site en construction : http://www.lsst.org/lsst/gallery/construction-webcam

Contact : Pierre Antilogus - Tel : +33 1 44 27 41 54

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